Диссертация (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов), страница 7

При уменьшении размера нанокристаллов кремния положения максимумасдвигается в область меньших частот. Данный сдвиг согласно [70, 71] описываетсяформулой∆=78 9:−!= −; <0 ⁄78 9:=,откуда для определения среднего размера нанокристаллов получаем:где–78 9:параметры,78 9: = <0 >.*?@ABC/⁄=D,(1.4)- частота ТО фононов в нанокристалле кремния размером dnc-Si, A и γ –описывающиенанокристаллов.Дляконфайнментоценоксреднихфононовразмеровприуменьшениинанокристалловразмеракремниявисследованных образцах использовались параметры A = 47.41 см-1 и γ = 1.44,полученные в работе [70] для кремниевых сфер.

Стоит отметить, что расчеты длякремниевых колонн несущественным образом отличаются от расчетов для кремниевыхсфер при сдвигах ∆ω не менее –5 см-1 (размер нанокристаллов более 2 нм) [70].На рисунке 1.7 представлены зависимости доли кристаллической фазы в пленке Xcи среднего размера кремниевых нанокристаллов dnc-Si от степени разбавления R. Каквидно из рисунка, при увеличении степени разбавления моносилана водородом долякристаллической фазы в пленке монотонно увеличивается от 0 до 55 %. Данныйрезультат хорошо согласуется с результатами известными из литературы для пленок,31полученных подобным методом (см.

например [50,62,72-74]). Также из рисунка 1.7(правая шкала) видно, что средние размеры нанокристаллов лежат в области 5-7 нм.Следует отметить, что для образцов R5 и R8 средний размер нанокристаллов не можетбыть оценен из ТО моды в спектре рамановского рассеяния света от объемногокристаллического кремния, поскольку данный пик в этих образцах в явном виде ненаблюдается. В связи с этим средний диаметр нанокристаллов для этих образцов былценен при аппроксимации рамановских спектров с использованием формулы (1,2), вкоторую входит dnc-Si.

При этом, однако, точность определения dnc-Si заметно падает.Рис. 1.7. Зависимость доли кристаллической фазы в пленках наномодифицированного аморфногокремния (левая шкала, круги) и среднего размера нанокристаллов (правая шкала, квадраты) от степениразбавления газов R в реакционной камере.1.3. Cтруктура пленок nc-Si/a-Si:H, полученных путем лазернойкристаллизации a-Si:HЛазерная кристаллизация аморфного кремния длительное время привлекаетвниманиеисследователеймодификацииструктурыблагодаряa-Si:H.возможностиСвойствалокальнойполученныхсконтролируемойпомощьюлазернойкристаллизации пленок a-Si:H зависят от множества параметров, таких как толщинапленок, температура их осаждения, а значит содержание водорода в них, мощность,длительность и частота повторения лазерных импульсов и др. Одним из наиболее32распространенных и изученных способов лазерной кристаллизации a-Si:H являетсякристаллизация наносекундными лазерными импульсами.В литературе для кристаллизации пленок a-Si:H в основном использовалисьнаносекундные лазерные импульсы с различными длинами волн, длительностямиимпульсов (5–200 нс), частотами следования импульсов, скоростями сканирования иперекрытия лазерного пучка (50–90%).

При облучении пленок a-Si:H наносекунднымилазерными импульсами происходит взрывная кристаллизация аморфного кремния,которая сопровождается эффузией водорода из пленки [12]. Методами растровойэлектронной и атомно-силовой микроскопии показано, что процесс эффузии водородаиз пленок приводит к образованию шероховатостей на их поверхности. Причемотмечается, что при увеличении перекрытия лазерного пучка и плотности энергиилазерного излучения высота шероховатостей увеличиваются [13, 14].Для объемной характеризации структурных свойств облученных образцовиспользовался метод рамановской спектроскопии света [12, 14].

На рис. 1.8представлены рамановские спектры для пленок a-Si:H толщиной 500 нм, облученныхпри различных плотностях энергии лазерных импульсов. Как видно из рисунка, наспектрах всех образцов присутствует характерный максимум вблизи 480 см-1,соответствующий поперечной фононной моде в структуре аморфного кремния [75, 76].После облучения пленок импульсами плотностью энергии более 100 мДж/см2 наспектрах появляется ярко выраженный максимум вблизи частоты 520,5 см-1,соответствующий поперечной фононной моде в структуре кристаллического кремния[77].

По соотношению интегральных интенсивностей указанных максимумов былапроизведена оценка объемной доли кристаллической фазы в образцах [78]. При этомустановлено, что при увеличении плотности энергии лазерных импульсов объемнаядоля нанокристаллов в пленке увеличивается.С помощью метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) показано, что обработкапленок a-Si:H лазерными импульсами приводит к образованию на их поверхностишероховатостей нанометрового масштаба [79]. Диаметр образующихся шероховатостейсоставляет от 300 до 500 нм с высотой порядка 200 нм.

Основной причиной появлениянаношероховатостей на поверхности пленок является возникновение капиллярных волнвследствие разницы плотности кремния в твердой и жидкой фазах [80]. Действительно,кремний в жидкой фазе значительно плотнее, чем в твердой, поэтому при33рекристаллизации после плавления область твердой фазы стремится расшириться,образовывая так называемые «хребты» и «холмы», на границе раздела [81]. Такжеотмечается, что атмосфера, в которой проводится лазерный отжиг, существенно влияетна модификацию поверхности. Она может увеличить скорость остывания лазерноиндуцированного расплава, приводя к более высоким скоростям затвердевания [82].Также было обнаружено, что при лазерном облучении пленок a-Si:H в бескислороднойсреде на поверхности пленок образовываются более гладкие структуры [31].Рис.

1.8. Спектры рамановского рассеяния света для пленок a-Si:H толщиной 500нм, обработанныхнаносекундными лазерными импульсами с различной плотностью энергии [12].Для характеризации структуры объема пленок a-Si:H, облученных лазернымиимпульсами, наиболее прямым и достоверным методом является просвечивающаяэлектронная микроскопия (ПЭМ).

В работах [83, 84] методом ПЭМ показанообразование кремниевых кристаллитов нанометрового размера при облучении пленок aSi:H наносекундными лазерными импульсами.В работе [85] на основе решения дифференциального уравнения теплопроводностибыл произведен расчет распределения температуры по толщине пленки a-Si:H толщиной900 нм при возбуждении эксимерным лазером с длиной волны излучения 193 нм идлительностью импульсов 25 нс.

На рисунке 1.9 представлено распределениетемпературы по толщине пленки при ее облучении с различной плотностью энергии34лазерных импульсов. Красная пунктирная (вблизи температуры 675 К) и сплошнаялинии (вблизи температуры 800 К) на рисунке соответствуют температурам разложениямоногидратов и ди- и тригидратов соответственно, красной жирной линией (1420 К)указана температура плавления аморфного кремния. Как видно из рисунка, температурараспределена неоднородно по толщине пленки. В связи с этим можно ожидать инеравномерное распределение нанокристаллов по толщине пленки при использованиинаносекундных лазерных импульсов с длиной волны, лежащей вне областипрозрачности материала.Рис.

1.9. Расчетное распределение температуры по толщине пленки a-Si:H, облученной наносекунднымилазерными импульсами с плотностью энергии 50 (черные квадраты), 100 (красные круги), 220 (зеленыетреугольники) и 300 (синие треугольники) мДж/см2 [85].Вбольшинстверабот,посвященныхлазернойкристаллизациигидрогенизированного аморфного кремния, использовались наносекундные лазерныеимпульсы с энергиями квантов излучения, существенно превышающими оптическуюширину запрещенной зоны a-Si:H, которая составляет 1.7 – 1.8 эВ. В этом случаекристаллизация пленок идет по взрывному механизму: в результате возбужденияприповерхностного слоя пленки лазерным излучением происходит его плавление,последующая кристаллизация и выделение скрытой теплоты фазового перехода, за счеткоторой происходит кристаллизация оставшейся части пленки.

При этом неоднородное35по толщине возбуждение пленки приводит к неоднородному по толщине изменениюструктуры.В последние годы появились работы, в которых для фотоиндуцированныхструктурных изменений в аморфном кремнии используется мощное лазерное излучениес длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне. Значительный интерес киспользованиюфемтосекундных импульсоввИКобластиспектрасвязансфундаментальным отличием процессов поглощения излучения и механизмов измененияструктуры материала по сравнению с режимами облучения в наносекундном диапазонедлительностей импульса. Отличие фемтосекундного лазерного отжига от отжига внаносекундном диапазоне состоит в том, что многофотонное, нелинейное оптическоепоглощение в этом случае приводит к возникновению в полупроводнике чрезвычайнонеравновесного состояния электронной подсистемы [86].